军舰动力装置概况——燃气轮机

军舰动力装置概况---之一---燃气轮机篇美国FT-8舰用燃气轮机(一)研制背景和研制计划FT-8燃气轮机由普拉特?惠特尼(P&W)公司的JT8D-219航空涡扇发动机派生。JT8D-219是JT8D系列中的最新型号，1985年开始投入使用。研制时充分利用了FT-4燃气轮机的成功经验，并移植了普拉特?惠特尼公司的PW2037和PW4000航空发动机的先进技术。在设计上突出了机组的高效率、高寿命和高可靠性。JT8D系列是一型成熟的航空发动机，20余年来已生产14000余台，并装在3000多架民航飞机上，如波音727、737、DC-9、MD-82等。累计运行了两亿八千五百万飞行小时，平均单台寿命超过18000h。FT-8是1986年开始设计的。派生时将低压压气机改为8级，前两级用JTSD的风扇改成，第3级至第8级除对第3级压气机叶型作修改外，其他5级不变。进口导流叶片与前2级静子叶片可调。高压压气机共7级，7级高压压气机不变，重新设计了燃烧室和燃料系统。高、低压涡轮叶片加强了冷却，并设计了涡轮间隙控制结构。动力涡轮4级，涡轮效率93．6％，燃气轮机总效率38．7％，是当代同等功率燃气轮机中最高的。(二)系统组成和主要性能FT-8燃气轮机由进气道、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮、排气装置和控制系统等部套组成。进气道。喇叭形进气口，轴向进气。内有整流锥和18个整流支板。低压涡轮、低压压气机。8级轴流式，进口导流叶片和前2级静子叶片可调，转子叶片材料为Ti-6A1-4V钛合金。轮盘材料为钛合金，静子叶片为钢和铝，钢零件有铝或扩散铝涂层。设计转速为7131r／min。燃烧室。环管形燃烧室，有9个火焰筒，9个燃油喷嘴。采用HastelloyX材料和PWA261涂层。高压涡轮。单级轴流式。涡轮叶片和导向叶片为气冷，涡轮叶片材料为MAR-M-247，导向叶片为MAR-M-509，轮盘为In718。叶片涂层为NiCoCrAly。低压涡轮。2级轴流式，第1级气冷。所有叶片材料皆为MAR-M-247，轮盘皆为Was-paloy。除第2级导向叶片涂层为PtAl外，其余叶片涂层皆为NiCoCrAly。动力涡轮。4级轴流式，叶片材料除第3和第4级导向叶片为In718外，皆为In738。轮盘为Ing01。第1和第2级涡轮叶片及导向叶片涂层为PWA73铝硅，轴采用PWAll0铝涂层。排气装置。材料为409不锈钢，结构形式为5个环状圆弧形导流片形成的扩压腔，将气流由轴向转至径向，然后由排气涡壳排出。轴承。燃气发生器共有7个滚动轴承，动力涡轮的2个支点共用3个轴承支承起动机。空气轮机，也可选用液压马达。控制系统。Woodward公司的NECON5000数控系统。FF-8燃气轮机如图5．1-4所示。FT-8舰用燃气轮机在大气温度270(2，考虑进排气损失时的性能见表5．1-1。表5．1-1FT-8舰用燃气轮机在2706、有进、排气损失时的性能主要技术性能最大连续输出功率／kw(hp)热耗／(kJ／(kW?h)(kJ／(hP?h)))油耗／(s／(kw?h)(s／(hp?h)))热效率／％空气流量／(kg／s)压比排气温度／℃动力涡轮转速／(r／min)尺寸(长x宽x高)／mm重量／kg24883．4(33855)9333(6860)217．7(160)38．65791X1829X1829771122653(30820)9503．4(6985)221．8(163)．37．979．418．744330005791X1829X18297711FF-8三轴、轴流式舰用燃气轮机主要由美国联合技术公司涡轮动力和船用系统分部(UnitedTechnologies，TurboPower&MarineSystems)研制。合作研制单位还有我国的成都发动机公司。据称，FT-8舰用燃气轮机已开始试制。外刊报道，大凤凰世界城号旅游船已选4台FT-8作动力。采用联合循环，为该船供电、供汽。此船拟用于美国东海岸、墨西哥湾和加勒比海地区作旅游、会议、展览船。除舰用型外，还有发电型和机械传动型。发电型功率24800kW(用蒸馏油)和26130kW(用天然气)，动力涡轮转速3000r／min和3600r／min；机械传动型功率25754．4kW(35040hp)和25357．5kW(34500hp)，动力涡轮转速相应为3000r／min和5000r／min。FY-8燃气轮机的发电型和机械传动型已开始批生产，并已卖出相当数量。FT-8燃气轮机的燃气发生器均由美国涡轮动力和船用系统分部制造。而动力涡轮的制造则除了该厂外，还有德国的MANGHH公司。它发展了FT-8-30(FF-8A)的动力涡轮。此动力涡轮转速较高，约5000-5775r/min。此动力涡轮提供的功率为26000kW，热效率39％，用作泵等的机械传动。FF-8舰用型与发电型不同之处是舰用型提高了涡轮的进口温度和功率。其他部分除箱装体、系统和输出轴有改变外，均与发电型相同。日本是FF-8燃气轮机舰用型研制许可证得到最早的国家。它的舰船用FF-8是在FT-8燃气发生器的基础上，配上新设计的三级动力涡轮而成。日本FT-8舰用燃气轮机由三菱重工业公司研制，称为MFF-8，设计开始于1991年10月。由于采用的转子较短，因此，不仅在整个工作范围内振动较小，而且尺寸小、重量轻、效率高。日本研制的MFF-8舰船用燃气轮机在ISO条件下的额定功率为25423．7kW(34590hp)，油耗221．5g／kW?h(162．8g／hp?h)，转速1000-5000r／min，排气温度467℃，箱装体尺寸8800iTllnX2650llllnX26001llin，重量16t。日本设计MFT-8舰船用燃气轮机曾经作过的部件试验如下：①海上试验船飞翔号燃气轮机进气系统模块模型试验。②排气系统模型试验。③排气引射器性能和在箱装体内进行换气的模型试验。④从燃气轮机进气口换装燃气发生器的模拟试验。⑤轴承性能试验。⑥燃气轮机转子高速旋转振动试验。⑦控制台等的电气元件的环境和系统试验。飞翔号(TSL-A70)MFT-8燃气轮机于1993年夏制造完成，其后开始了历时三个月的工厂试验，实现了最大功率24255kW(33000hp)，额定功率20580kW(28000hp)。1994年初，两机装于飞翔号船，同年4月启动、联调和采集数据，7-12月进行海上试验。海上试验内容包括：①在喷水推进装置负荷下启动、加速和减速。此项试验虽在工厂试验时用水力测功器作过，但负荷特性仍有微小差异，需在海上试验中进行过渡特性的确认和调整。海上试验表明，从惰转加速至额定转速仅需一分钟，用启动按钮启动仅需两分钟。停车后，自动进行五分钟的冷却，之后可随时再次启动。②船体和发动机相互振动干扰试验。试验表明，发动机安装防振支架后，船体的低频摇摆对MFT-8舰船燃气轮机没有影响。③进气系统在不同海况的过滤效果试验。试验表明，长度仅为实船长度一半的飞翔号货轮，在货物装载重为200t时，在暴风雨的恶劣天气和波涛汹涌的恶劣海况下，通过进气口的水滴分离器吸人进气系统的海水水雾大致相等，过滤效果很好。(三)技术特点分析及述评FI-8舰用燃气轮机有如下特点：①设计性能好除低压压气机第1-3级静叶采用可调叶片，极大地提高了喘振裕度外，还有下列设计特征：高、低压涡轮采用了间隙控制技术，提高了涡轮效率；高压涡轮轮盘采用空气喷射进行冷却；叶型采用三维设计，减少了流阻损失；采用液压和电调双重调节系统，保证了调节系统的正常工作和可靠性；采用了先进的涂层和材料；叶片采用了先进的冷却技术。②维修性能好FT-8采用模块结构，共11件模块。因此，更换容易，可用较少时间进行模块更换。FI-8还使用了孔探仪检测技术，各机匣上均开有检测口，在对部件不作分解的情况下，可对通流部分进行观察、照相，实现视情维修。③能满足环境要求现在有些国家已开始对舰艇动力的NO，排放物标准立法。FT-8的陆上装置，采用了喷水技术，使排气符合不同用户对环境的要求。对舰用FT-8，如需控制NO，排放，达到港口和海洋环境要求，采用陆用Ft-8控制NO。排放的办法，实现也是不难的。④工作可靠性正在逐步提高我国已经采购了数台FT-8发电型，安装在深圳福田电厂和海南南山电厂。福田电厂的Ft-8发电型燃气轮机已于1992年3月正式并网发电，至1995年4月，已积累了14000h的运行经验，累计发电3亿度。三年的运行实践表明，FT-8在运行中暴露了大量故障，经常引起机组停机的故障类型有20多种，而导致需要更换部件或整机的故障就有16次之多。其中燃气发生器更换了6次，动力涡轮更换了4次，轴承修理过4次。引起故障的原因是多方面的，除了FT-8本身的问题外，尚有运行的工作环境的品质问题，如燃油、滑油、空气、水(如注水)的品质问题。但FT-8本身的可靠性正在逐步提高。日本的MFT-8舰船用燃气轮机在海试时也未见发现更大问题的报道。因此，应该认为，FT-8仍然是正在成熟的机组，根据大量工业Ft-8运行经验研制的舰用型机可望有较高的可靠性。此外，FT-8燃气轮机由于具有单机功率大、重量轻、尺寸小、机动性好、系统简单、易于维护、振动噪声小等突出优点，作为舰用也是可行的。乌克兰ГТД-25000舰用燃气轮机(一)研制背景和研制计划ПД-25000燃气轮机(见图5．1-5)是乌克兰目前正在研制的舰用大功率燃气轮机，又称Д-801或M-80燃气轮机，在前苏联第三代ГТД-15000舰用燃气轮机基础上研制，实际上是将ГТД-15000燃气轮机的压气机加零级，将燃气初温提高到1250摄氏度而成的功率加大型。属前苏联或乌克兰的第四代舰用燃气轮机。(二)系统组成和主要性能ПД-25000燃气轮机由低压压气机、高压压气机、低压涡轮、高压涡轮、动力涡轮、燃烧室等组成。低压压气机：轴流式，9级。高压压气机：轴流式，9级。低压涡轮：轴流式，1级。高压涡轮：轴流式，1级。低压涡轮和高压涡轮采用空气对流冷却。动力涡轮：轴流式，4级，有可倒车和不可倒车两种型式。燃烧室：罐式燃烧室，有火焰筒16个。轴承：高压转子、低压转子和动力涡轮3个主要转子由7个轴承支承。ГТД-25000燃气轮机在国际标准条件下的额定特性：功率(MW)25000(39500hp)效率(％)37．5空气流量(kz／s)91压比23．6燃气初温(℃)排气温度(℃)动力涡轮转速(r／min)机组重量(ks)尺寸(带排气管，长X宽X高，mm)设计寿命(h)抗冲击能力总寿命1400010000x3860x3400垂向：41g，横向：15g，纵向：6g60000h(第一次翻修寿命20000h)(三)技术特点分析及述评新发展机型，至今未投放市场装船使用，目前仍在试验台上作试验，在试验中曾出现过叶片断裂、涂层掉落等事故。美国LM-2500舰用燃气轮机(一)研制背景和研制计划美海军在20世纪60年代初期即已考虑将燃气轮机用于舰艇。当时正在开始一系列的极高速反潜护卫舰的设计，项目名称叫“海鹰”。为了和前苏联的类似航速的潜艇抗衡，这些护卫舰预定的航速为40kn。但很快就发现，如果“海鹰”要采用非常大的舰体，要满足其性能要求，只有采用常规的蒸汽动力装置。当时可供选择的方案，第一是选用更高的温度和压力(11．3MPa，649℃)，但这不现实。因为，根据现有的8．45MPa，510℃蒸汽动力装置的经验，超过此温压以后，有可靠性问题；第二是采用燃气轮机。“海鹰”计划后来放弃了，原因部分是由于使用这样高的航速费用很高，部分是由于预计中的那种苏联潜艇没有出现(即后来被“北约”称为“阿尔法”级的705型潜艇)。但美海军对舰艇使用燃气轮机动力装置的热情却始终未减，因为这些发动机有固有的较好的消声特性。为此，美国通用电气公司(GE)船用和工业燃气轮机分部开始研制LM-2500燃气轮机，并将其设计为轴流式的燃气轮机动力装置。20世纪70年代初，美海军批准建造31艘8040t的“斯普鲁恩斯”级驱逐舰，并决定该级舰采用LM-2500燃气轮机。每舰4台，总功率632